对激光全息照相实验的研究3
中山大学学报论丛,2006年第26卷第5期SUNYATSENUNIVERSITYFORUM,Vol126 No15 2006
对激光全息照相实验的研究
张潞英,谢嘉宁,伍贤栋,赵慧民3
(佛山科学技术学院光电子与物理学系,广东佛山528000)
摘 要:激光全息照相实验对实验环境和实验条件要求很高。分析了影响激光全息照相实验的诸因素,并对这些因素进行了深入的探讨,总结了拍摄系统稳定性、调整光路、再现观察等提高全息照相成功率及全息图质量的具体做法。
关键词:激光全息照相;干涉;全息图;光程
中图分类号:G64210 文献标识码:A 文章编号:100721792(2006)0520189204
一、激光全息照相的原理
激光全息照相分记录过程和再现过程,
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图1 全息照相拍摄光路
激光束经过分束镜被分为两束光:一束是物光,即经过反射镜M1、扩束镜D1照到物体上,然后由物体漫反射到全息干板H上;一束是参考光,即经过反射镜M2、扩束镜D2直接照射到全息干板H上。物光和参考光在全息干板上相干涉,形成干涉条纹。这些干涉条纹将物体发出的光(反射光)的振幅和位相同时完全地记录下来,即物光波的全部信息。
这些干涉条纹中亮条纹和暗条纹之间明暗程度的差异,主要取决于相干涉的两束光波的强度(振幅的平方),而干涉条纹的疏密程度以及哪个地方亮哪个地方暗则取决于相干涉的两束
[1]光的位相的差别(光程差)。当把全息干板显影时,干涉图案就以感光介质密度变化的形式
3收稿日期:2006-03-31
作者简介:张潞英(1965年生),女,北京人,工程师。
被显示出来,即波前位相相同的地方密度增加,波前位相不同的地方密度减弱。这种密度不同、明暗不等的干涉条纹和物体本身毫无共同之处,但它却包含了物体的全部信息。记录过程的本质在于物体的全部信息以干涉条纹的形式储存在全息干板中,相当于物光波的调制过程。
完成记录过程后,将记录有物光波全部信息的全息干板拿到暗室进行显影、定影等处理,处理后的全息干板上只有密密麻麻的干涉条纹,相当于一块复杂的光栅。然后用扩束后的激光照射这块全息干板,如图2所示:重现光束为这个光栅所衍射,它的一级衍射光波就将原来物光波的波前重新再现出来,使我们通过全息干板,重新看到与原物完全逼真的立体图象。观察时从全息干板的背面(接受透射光的方向)可以看到在原物位置上有一个和原物完全相同的立体虚象,而与全息干板相对称的另一侧可用光屏接收到共轭实像。再现过程是把存储于干涉图案中的物光波用衍射的方法取出来,相当于解调过程
。
2二、研究影响全息照相实验成功的因素
由于激光全息照相实验对实验环境和实验条件要求很高,完成全息照相实验需经过多个环节,要使全息照相拍摄成功并获得较高质量的全息图是不容易的。自全息照相实验面向全校工科学生开课以来,我们不断研究影响激光全息照相实验成功的主要因素,现归纳如下。(一)系统稳定性对实验结果的影响
由于全息图上所记录的是参考光和物光的干涉条纹,而这些条纹非常细,在曝光过程中,极小的振动和位移都会引起干涉条纹的模糊不清,甚至使干涉条纹完全不能记录下来。(二)安排和调整拍摄光路对实验结果的影响
(1)参考光和物光的光程差的影响:参考光和物光的光程差不能太大,不能大于所用激光的相干长度,否则两者不能相干,无法在全息干板上获得干涉条纹。
(2)参考光和物光的夹角的影响:假如全息干板上干涉条纹间的间距为d,光源波长为
θλ,d与参考光和物光之间的夹角θ有关(d=λ/2sin),而干板分辨率η与d有关(η=2d
θλ),可以看出θ/角愈大,所记录的干涉条纹就越细,对干板的分辨率要求越高,故2
夹角θ不能太大。而夹角θ对全息图再现象时的观察窗(视角)有影响,夹角大,可在较大=2sin
[2]范围内从不同角度观察物象,反之,观察窗则小,因此夹角θ也不能太小。
(3)参考光和物光的光强比的影响:全息照相是物光与参考光的双光束干涉.对于一般・091・
双光束干涉来说,如果I1=I2,干涉条纹可得到最大的对比度,即条纹最低强度为零,同位相时最大强度为4I,这对一般线性接受元件是合适的。而对
全息照相的记录介质来说,曝光量和振幅透过率的特性曲
线是非线性的,在曲线两端发生奇变(如图3所示),产生
较高阶的衍射光,使衍射效率降低。
另一方面,当物光比参考光强,斑纹比较显著,产生
较大量的晕轮光围绕零级衍射光,降低了成象的光通量,
致使效率降低。
(4)全息干板固定不牢或夹持位置偏差大,以及把有
药面的一面与玻璃面放反都会造成实验的失败。
(三)曝光与显影对实验结果的影响
(1)曝光时间的影响:如果曝光时间太短,底板上条图3 干板的曝光特性纹太浅甚至没有,复杂的衍射光栅无法形成,当然也就无法再现像。若曝光时间太长,底板有可能过黑,光线的透过率降低。另外,曝光时间越长,保持系统稳定性越难,曝光时间内突然的躁声和振动会使拍摄失败。
(2)显影时间的影响:显影的程度是否适当对全息图质量影响很大。若显影时间太长,全息干板发黑,光线的透射率降低,无法再现像;显影时间太短,,无法形成复杂的衍射光栅,甚至是一块透明玻璃片,。
以上影响全息照相的诸因素都不能忽视,,我们对以上诸因素进行了分析、探讨后,。
(一)保证拍摄系统的稳定性
对于我们所用的激光波长为63218nm的HJ-Ⅱ型氦氖激光器,在曝光过程中,必须保证拍摄系统的移动不得超过干涉条纹间距的1/4,我们实验室用的是GSZ-Ⅱ型光学实验平台,全息台上的所有光学器件都用磁性材料牢固地吸在工作台钢板上。将各光学元件夹持稳定,将被照物体粘牢在载物台上或夹紧在架上,将曝光定时器离开全息台放置。由于气流通过光路,声波干扰以及温度变化都会引起周围空气密度的变化,因此,在准备拍摄前必须远离全息台,保持安静,静止2min以上再启动曝光定时器,并且在曝光期间不能讲话、走动和发出任何声响,保证环境稳定,曝光后再静等20s以上,才能取下干板,用黑纸包好。
(二)安排和调整光路的具体做法
(1)光路摆放:按图1所示光路将各元件大致摆放到各自的相应位置上,调整各元件使各光束都与台面平行且与各元件中心重合,(开始时不要加扩束镜)。
(2)测量光程:测量物光与参考光的光程从分束镜开始,沿着光束的前进方向量至全息干板为止,按等光程按排光路为好,光程差不得大于1cm。
(3)夹角选择:根据上面的分析,本实验中选择参考光和物光的夹角取20°~30°为宜。(4)调节光强比:由上所述可知,要达到较好的效果,应使参考光增强,以避开非线性区,减少斑纹效应。但尽管用一束强光做物光,物光照到物体上经物体吸收后再反射到干板上的光已比参考光弱得多了,对于我们功率只有5mW的激光器,参考光和物光的光强比太大,会造成对比度差,象不清楚。所以又必须使物光增强。多次实验研究表明:被摄物如果是瓷公仔,应与全息干板距离较近(3~5cm),若拍摄硬币可与全息干板距离远一些(可达10cm)。
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放入扩束镜后,调节物体方位使物体漫反射光的最强部分均匀地落在全息干板上,参考光应均匀照明并覆盖整个全息干板,两光光强比为3∶1~5∶1较为合适。
(三)拍摄全息图及再现观察
(1)上底片拍照:关闭室内所有光源,在全暗条件下学会判断全息干板药膜面的方法,即用两手指同时摸全息干板两面,较涩的一面为药膜面,光滑的一面为玻璃面。取下白屏,将全息干板药膜面面向被摄物体固定在干板架上。
(2)设置曝光时间:曝光时间的长短与光源的功率有关,对于功率较大的光源,曝光时间可适当短些,若光源功率小,则曝光时间可适当长些。一般文献上要求曝光时间为3~4min,实际上,曝光时间长很难保证拍摄过程中周围环境绝对安静,对于我们使用的功率为5mW的HJ-Ⅱ型氦氖激光器和天津感光胶片厂生产的Ⅰ型全息干板来说,曝光时间选择在30s左右就可以了,但也要看被摄物体的反光程度,对于反光较强的物体,曝光时间可适当缩短,反之,则适当加长。
(3)设置显影时间:选择显影时间应与曝光量、显影液的浓度及温度等情况加以综合考虑。在曝光量正常的情况下,用D-19显影液,其温度在20±015℃时,显影时间一般十几秒即可,但在温度较高且新配的药水的情况下,可能几秒钟干板就变黑,显影时间应视实际情况而定(但不要超过3min)。应将干板放在显影液中并轻轻搅动液体,几秒钟后将干板对着暗绿灯观察,看到微黑时即可用清水冲洗,冲洗干净放入定影液中2~4min,断搅动定影液,之后放入清水中冲洗5~15min,。
注意:种药水中。,减薄处理可在白光下进行,,否则全息图消失。
(4):2光路中观察全息图,再现时也可用强光照射全息图,以增加其亮度。
通过以上研究,教师的悉心指导,学生做这个实验的成功率已从过去的20%左右提高到90%左右,激光全息照相实验已成为工科学生最感兴趣的实验之一,提高了工科学生对大学物理实验课的兴趣。
参考文献:
[1] 陈国杰,谢嘉宁.物理实验教程[M].武汉:湖北科学技术出版社,2004:197-200.
[2] 高金光.对提高激光全息照片质量的研究[J].潍坊学院学报,2003,3(4):35-36.
(责任编辑:张楚民)
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